閥體自動生產線系統構建與實現

康傳勇，汪木蘭，季 穎，殷 俊

(1.南京嘉璽數控科技有限公司，江蘇 南京 211800)(2.南京工程學院江蘇省先進數控技術重點實驗室，江蘇 南京 211167)

機械加工目前正朝著高效率、高質量及高能效的制造方向發展，相應的機械加工設備也由單機向成套自動生產線發展[1]。采用自動化生產線能使全部生產過程保持高度連續性，并顯著縮短生產周期、減少工序間的在制品數量和簡化工作。自動化生產線在整合傳統數控機床基礎上，再設計配套的機器人控制系統，完成生產加工的自動化[2]。流程型自動加工生產線的實時監控使得生產效率和生產管理水平得到了提高[3]。監控環節主要包括生產過程、工藝設備和傳動系統，其中，生產過程利用電磁傳感及激光檢測技術智能監控物料輸送和加工流程，夾具采用射頻識別技術進行實時監控[4-5]。作為閥門組件的關鍵元件，閥體在閥門配套設備中加工難度較高。傳統的閥體加工生產線勞動強度大、人工成本高，型號為F15204的閥體以往采用機床加工和人工上下料的方式生產，生產效率低下且生產過程中產生的大量鑄鐵灰塵有損工人健康，實現閥體加工自動化已成為企業發展的迫切需求。

1 閥體自動生產線系統整體方案設計

F15204閥體自動生產線由3臺雙面銑床、1臺廣數RB20機器人、PLC(可編程邏輯控制器)系統控制器和上下料輸送裝置等構成，如圖1所示。F15204閥體自動生產線采用以機器人為傳送中心的U型布局，方便自由轉動與移動。雙面銑床可同時加工工件的兩個表面，加工效率高，該生產線采用的ZHX-400A型雙面銑床，加工工件最大長度為800mm，最大寬度為400mm，重復定位精度和銑兩側平行度均能保證在0.05mm以內；廣數RB20機器人有6個運動軸，通過按動示教編程器上的軸操作鍵，使機器人的軸產生所需動作；采用信捷PLC作為系統控制器，由相應指令程序實現生產系統控制要求；上下料輸送裝置裝有光電感應開關，可以根據檢測情況控制上下料機的動作；專用夾具和電氣控制柜采用自制設備。

圖1 閥體自動生產線布局

閥體自動生產線系統將生產工序劃分為3道，分別加工工件的前后、上下和左右側面，生產線加工節拍時間軸如圖2所示。機器人通過上料輸送臺傳送毛坯件，行至工序1夾具，取下工位1加工完成的工件，裝上毛坯件→機器人帶著工序1加工好的工件行至工序2夾具，取下工序2完成的工件，放上工序1的工件→機器人帶著工序2加工好的工件行至工序3夾具，取下工序3完成的工件，放上工序2的工件→最后將加工好的工件放入下料輸送臺。

圖2 加工節拍時間軸

生產過程采用異步傳送方式，在每個工位前面設置等待緩沖區，當某一工位出現短暫性故障時，機器人于緩沖區等待，在故障處理完畢后繼續運行，不影響生產過程進行。按下啟動按鈕，設備進入自動運行狀態，自動運行過程如圖3所示。

圖3 閥體生產線運行流程

2 閥體自動生產線控制系統設計

2.1 閥體自動生產線控制系統電氣要求

閥體自動生產線的運行方式主要分為自動和手動兩種方式，自動方式為常用模式，手動方式用電磁閥設置銑床夾具與機器人手爪的松緊和吹氣動作。自動生產線配備有觸摸屏，人機界面實時顯示生產線運行方式、設備參數、I/O狀態和工作進度等情況，供管理者實時查詢。生產線在工作過程中出現故障時，報警燈發出警報，單個工位甚至整條生產線會停止運行，故障處理完畢后警報解除，系統繼續運行；如果生產線遇到緊急情況，雙面銑床和上下料傳送裝置配備的急停按鈕可以停止相應設備的運行，此外整套控制系統也有急停按鈕確保生產過程的安全性。

2.2 閥體自動生產線控制系統硬件體系設計

該閥體自動生產線系統中，數控機床和機器人由本身集成的控制器進行控制，為保證整條生產線正常工作，需要通過PLC系統掌控各個設備工作的先后順序。為了實現系統控制要求和擴展需求，F15204閥體自動生產線系統的PLC控制單元采用信捷XC系列CPU，擴展模塊型號為XC-E16X16YT-E，控制系統輸入/輸出信號地址分配情況見表1、表2。

表1 控制系統輸入信號地址分配

PLC的CPU單元向外部設備傳送輸出信號，發出動作指令，傳感器將外部設備的運動狀態反饋給CPU，構成控制回路。為了便于用戶直觀了解生產過程和設定控制參數，生產線控制系統配備了TG765-MT型號的觸摸屏實時監控系統運行狀態；基于RS-232串口建立CPU與上位機的通訊連接，實現可視化加工。

表2 控制系統輸出信號地址分配

2.3 閥體自動生產線控制系統軟件體系設計

閥體自動生產線控制系統基于編程軟件開發用戶管理系統。人機界面顯示PLC開關量狀態和寄存器變量值，通過監控畫面向PLC發出命令，并修改PLC寄存器參數，如圖4所示。

上位機主界面顯示各個銑床、機器人和上下料裝置等設備的狀態。主界面底部設有密碼登錄、參數設定、報警列表、手動操作、I/O狀態和退出登錄等6個界面，按鍵即可進入相應界面進行設置與查詢。參數設定界面用于設置銑床和機器人夾具的電磁閥延時參數；手動操作界面可手動調整各個夾具的松緊狀態和氣動閥門的開關狀態；報警列表顯示當前報警內容，主要報警內容見表3；I/O狀態界面顯示主控柜PLC各輸入輸出信號狀態，可根據信號狀態判斷機器是否出現故障。在產品計數模塊的數值預置中輸入加工零件的數量(預置值最低為5)，當計數達到預置值減3時，按下清料按鍵，清料指示燈亮，開始清料，機器人不再從上料機取料，雙面銑床上已完成部分工序的零件放入下一道工序繼續加工。加工完成后，當前計數清零，清料指示燈滅，零件送至下料機。

表3 報警內容

控制系統具有自動運行、手動操作和機器人操作等多種工作方式，采用匯編語言和C語言完成了整套控制系統的程序設計。基于匯編語言設計的主程序控制系統自動運行，貫穿系統的啟動到停止，完成工件上下料、機床與機器人夾具動作、狀態顯示和報警列表等功能控制。C語言編寫的子程序計算并設定夾具電磁閥延時參數，控制電磁閥手動操作。在機器人示教器中導入設計并調試好的閥體F15204加工程序，工作時選擇F15204程序即可自動加工閥體。

3 閥體自動生產線系統測試

閥體自動生產線系統各設備準備就緒后需進行聯合調試。依次打開主控柜、機器人電柜、雙面銑床電柜和送料機的電源，啟動液壓站和控制臺觸摸屏，打開氣動閥門。將3臺雙面銑床復位(回零)，循環運行模式下將旋鈕旋至自動方式，按下啟動按鈕，啟動指示燈亮。隨后切換到手動方式點動控制，檢查夾具動作是否正常，并將3臺雙面銑床所有夾具控制閥設為松開狀態。確保上料機工件擺放在最前段感應位置后方，同時每一行需要擺滿2個工件，按下上料機電柜的啟動按鈕，運行指示燈亮，上料機開始運轉，當感應開關檢測到零件時，上料機停止轉動。機器人示教器執行命令，松開兩個夾爪并歸零，在示教器上選擇F15204程序，倍率調到最低，執行到指令“WAIT IN15 ,ON ,T0”時，程序開始等待主控柜啟動信號。按下主控柜的啟動按鈕，啟動指示燈亮，機器人程序繼續執行，逐漸調大倍率，機器人取料，設備加工。以上為閥體自動生產線系統測試過程，調試現場如圖5所示。運行結果表明，該閥體自動生產線系統構造合理，可以實現工件自動加工與上下料功能。

4 結束語

本文設計的F15204閥體自動生產線系統已經調試成功，并應用于工廠生產。使用結果表明，該閥體自動生產線系統工藝流程安排合理，克服了勞動強度大、功能單一和自動化程度低等缺點，縮短了加工過程中各工序之間的銜接時間，提高了生產效率。下一步的工作是增設檢測系統進行工件合格性篩選，檢驗產品是否達到加工要求。同時，分析調試過程中出現的次品，找到生產過程的薄弱環節，合理改進工位，降低次品率，提高生產線的可靠性。

圖5 閥體自動生產線系統現場調試